猶他州的工程師們在陸軍的資助下，開發了一種即使在乾旱地區也能從大氣中獲取水分的裝置。研究人員製造出一種用於大氣集水的緊湊型裝置，該裝置利用燃料燃燒過程從空氣中有效提取水，並有望緩解全球水資源短缺問題。

該裝置使用富馬酸鋁製成的吸附材料板來吸附水分子。資料來源：Dan Hixson

地球大氣層中含有大量的水，足以將猶他州的大鹽湖填滿800 倍。提取其中的一些水分被認為是為全球數十億長期面臨缺水問題的人們提供清潔飲用水的一個很有前景的解決方案。

現有的大氣集水（AWH）技術在尺寸、成本和效率方面有許多弊端。不過，猶他大學工程研究人員的最新研究發現，這種技術可以提高效率，讓世界離利用空氣作為乾旱地區的飲用水源更近一步。

這項研究揭示了首個緊湊型快速循環燃料燃燒式水處理裝置。根據發表在《細胞報告物理科學》（Cell ReportsPhysical Science）雜誌上的這項研究的資深作者、機械工程助理教授薩邁爾-拉奧（Sameer Rao）介紹，這種兩步式原型依靠吸附材料從非濕空氣中吸附水分子，然後利用熱量將這些分子釋放成液態。

「吸濕材料本質上與水有親和力。無論走到哪裡，它們都會吸收水分。最好的例子之一就是尿布裡面的東西，」拉奧說。 “我們使用的是一種特殊的吸濕材料，叫做金屬有機框架。”

機械工程師內森-奧爾蒂斯（Nathan Ortiz，左）和薩邁爾-拉奧（Sameer Rao）教授介紹他們開發的一種從大氣中汲取淡水的裝置。圖片來源：Dan Hixson

拉奧將金屬有機框架比喻為樂高積木，可以透過重新排列來建造各種結構。在這種情況下，它們被排列成理想的氣體分離分子。

“他們可以使其專門吸附空氣中的水蒸氣，而不吸附其他物質。它們真的很有選擇性，”Rao 說。這種原型是與該研究的第一作者、研究生內森-奧爾蒂斯（Nathan Ortiz）合作開發的，它使用富馬酸鋁製成面板，在空氣通過時收集水。

「水分子本身被困在我們材料的表面，這是一個可逆的過程。因此，水分子並沒有紮根於材料本身，而是停留在材料壁上，」奧爾蒂斯說。 “這些吸水材料的特別之處在於它們擁有巨大的內表面積。水分子有很多地方可以被黏住”。光是一克這種材質的表面積就相當於兩個足球場。因此，小小的材料就能捕獲大量的水。

拉奧說：”所有這些表面積都是分子尺度的。”對我們來說非常棒，因為我們想在這種材料的孔隙內的表面區域捕獲水蒸氣”。

這項研究的資金來自國防部士兵中心（DEVCOM Soldier Center），該中心是國防部為促進支持陸軍現代化的技術轉移而實施的計劃。陸軍之所以對該計畫感興趣，是因為士兵在水源稀少的偏遠地區執行任務時需要保持水分充足。

拉奧說：”我們專門研究了這項技術在國防領域的應用，這樣士兵們就有了一個小巧緊湊的製水裝置，不需要隨身攜帶一個裝滿水的大水壺。這將真正做到按需制水”。

拉奧和奧爾蒂斯已根據這項技術申請了初步專利，該技術也可滿足非軍事需求。

“我們在設計該系統時，也考慮到了更廣泛的水資源問題。這不僅是一個國防問題，在很大程度上也是一個民用問題，我們考慮的是一個家庭每天的飲用水消耗量。這大約是每天15 到20 公升。

在這次概念驗證中，原型車實現了每公斤吸附材料每天生產5 公升水的目標。奧蒂斯表示，在現場使用的三天時間裡，這種設備的性能就超過了包裝水。

在裝置的第二步驟中，使用標準軍用露營爐加熱，將水沉澱為液體。這是因為其水收集過程具有放熱性質。

「當它收集水時，會釋放出少量熱量。為了扭轉這種情況，我們需要增加熱量，」奧爾蒂斯說。 “我們只需在這下面放一團火焰，任何能讓溫度升高的東西都可以。隨著溫度的升高，水分子會迅速釋放出來。一旦我們有了真正潮濕的氣流，就更容易在環境溫度下凝結了。

大氣集水技術才剛起步，在空氣潮濕的環境中更容易實現，但目前還沒有一種設備可以在乾旱環境中實際使用。奧爾蒂斯相信，他的設備可以成為第一種，主要是因為它可以使用能量密度高的燃料，例如露營爐中使用的白色汽油。

研究小組決定不使用光伏技術。

「如果依賴太陽能電池板，就只能在白天工作，否則就需要電池，這只會增加重量，會不斷面臨堆疊的挑戰。」奧爾蒂斯說。 “這種技術在乾旱條件下更有優勢，而在高濕度條件下冷卻效果最好。”

編譯自/ ScitechDaily